Супергетеродинный приемник

При усилении высокочастотного сигнала возникают определенные трудности. Чем выше частота принимаемого супергетеродинным приемником сигнала, тем сложнее выполнить усилитель высокой частоты. На высоких частотах часто возникают условия для его самовозбуждения. Попытка реализовать усилитель радиочастоты в виде широкополосного усилителя тоже приводит к определенным трудностям.

Естественно, что при развитии микроэлектроники цена затрат на преодоление описанных проблем постепенно снижается, но одновременно осваиваются все более высокочастотные диапазоны радиоволн, где описанные трудности снова встают перед разработчиком радиоприемного устройства.

В качестве второго и, пожалуй, основного недостатка приемника прямого усиления можно назвать необходимость построения перестраиваемого узкополосного фильтра, настраиваемого на рабочий сигнал. Выполнить фильтр со стабильными параметрами при его перестройке в диапазоне частот практически невозможно.

Требования к этому фильтру получаются противоречивыми. С одной стороны, этот фильтр должен ослаблять соседний канал приема, а с другой стороны не искажать принимаемый сигнал. В результате при необходимости перестройки частоты требуется изменять относительную полосу пропускания фильтра

где — полоса частот полезного сигнала

f_пс — несущая частота полезного сигнала

При увеличении центральной частоты настройки фильтра для сохранения той же самой абсолютной полосы частот приходится одновременно уменьшать относительную полосу пропускания фильтра. Это достигается увеличением добротности входящих в состав фильтра контуров. Учитывая, что при этом необходимо строго следить за соотношением добротностей этих контуров между собой, а также то, что чем выше частота, тем труднее реализовать высокую добротность резонансной цепи, задача становится практически невыполнимой.

Даже в том случае, когда приемник разрабатывается на одну фиксированную частоту, очень трудно обеспечить параметры узкополосного фильтра. На частоте 450 МГц очень трудно (практически невозможно) обеспечить полосу пропускания фильтра равную 10 кГц при полосе непропускания 25 кГц. При этом минимальная добротность требуется:

Но это для фильтра первого порядка! А нужно как минимум фильтр 8-го порядка. Естественно, что добротность избирательной цепи, равную нескольким сотням тысяч единиц технически выполнить невозможно!

Для того чтобы решить эту проблему, стали разбивать задачу на два этапа — перестройка по диапазону частот, и обеспечение избирательности по соседнему каналу. Для перестройки по частотному диапазону стали использовать перенос спектра на определенную (обычно достаточно низкую) промежуточную частоту. Перенос спектра принимаемых частот осуществляется при помощи следующего тригонометрического преобразования:

тогда напряжение на выходе перемножителя, который часто называется смесителем будет записываться:

Узкополосный фильтр на выходе умножителя легко подавляет одну из этих компонент. Оставшаяся частотная компонента выходного сигнала называется промежуточной частотой супергетеродинного приемника. Обычно на выходе смесителя супергетеродинного приемника выделяется разностная компонента. В этом случае на входе усилителя промежуточной частоты (УПЧ) супергетеродинного приемника формируется сигнал промежуточной частоты, с частотой:

Получается, что при помощи умножителя можно легко перемещать спектр входного сигнала по частоте, изменяя частоту местного генератора — гетеродина.

Процесс перемещения частоты входного сигнала на промежуточную частоту в супергетеродинном приемнике иллюстрируется рисунком 1.

Рисунок 1 Перенос спектра принимаемого сигнала на промежуточною частоту супергетеродинного приеника.

Приемники, выполненные по такой схеме, получили название супергетеродинов или супергетеродинных приемников. Структурная схема радиоприемника, построенного по супергетеродинной схеме, приведена на рисунке 2

Рисунок 2. Структурная схема супергетеродинного радиоприемника.

В этой схеме гетеродин осуществляет перестройку в диапазоне частот, поэтому его часто выполняют в виде синтезатора частоты, который может настраиваться на ряд фиксированных частот и обладает стабильностью частоты, соответствующей кварцевому генератору или в особенно ответственных случаях атомному эталону частоты.

Для уменьшения требований к фильтру основной избирательности тракт промежуточной частоты супергетеродинного приемника выбирается достаточно низкочастотным. Это позволяет обеспечить значительную относительную расстройку частоты соседнего канала по отношению к полосе принимаемого супергетеродинным приемником сигнала.

То, что промежуточная частота супергетеродинного приемника является фиксированной, позволяет применить в качестве фильтра промежуточной частоты кварцевый, электромеханический или пьезоэлектрический фильтр. Это обеспечивает высокие электрические характеристики фильтра основной избирательности супергетеродинного приемника и высокую стабильность характеристик во времени и в диапазоне температур. Кроме того, такие фильтры в настоящее время являются высокотехнологическими, что позволяет снизить стоимость и уменьшить габариты супергетеродинного приемника в целом.

К сожалению, промежуточная частота супергетеродинного приемника может быть образована при помощи двух уравнений. При этом результат невозможно отличить друг от друга:

Это приводит к тому, что супергетеродинным приемником могут одновременно приниматься сразу два частотных канала, отстоящих друг от друга на величину 2f_пч. Один из этих каналов называется рабочим каналом супергетеродинного приемника, а другой — зеркальным. Описанная ситуация иллюстрируется рисунком 3.

Процесс образования зеркального канала в супергетеродинном приемнике

Рисунок 3. Процесс образования зеркального канала в супергетеродинном приемнике.

Единственный способ избавиться от зеркального канала — это подавить его сигнал во входной цепи радиоприемника, иначе говоря, подавление зеркального канала зависит от избирательности входной цепи супергетеродинного радиоприемника и расстройки зеркального канала:

Мы рассматриваем схему приемника цифровых методов модуляции, поэтому при реализации супергетеродинного приемника цифровых методов модуляции следует учитывать особенности преобразования частоты. Полезная информация цифрового сигнала обычно содержится в относительном изменении фазы несущего колебания, но оно приводит к соответствующему приращению частоты:

При этом положительное приращение фазы будет увеличивать частоту принимаемого супергетеродинным приемником сигнала, а отрицательное — уменьшать. При преобразовании частоты в супергетеродинном приемнике приращение частоты может, как не изменяться — при преобразовании , так и становиться противоположным — при преобразовании . Этот эффект иллюстрируется рисунком 3. На нем стрелочкой показано, что верхняя и нижняя боковые частоты принимаемого супергетеродинным приемником сигнала при переносе на промежуточную частоту меняются местами. При этом знак приращения фазы становится противоположным и передаваемое сообщение искажается. Прием на выходе такого супергетеродинного приемника становится невозможным.

Рассмотренное явление может быть учтено на выходе супергетеродинного приемника в квадратурном детекторе. Если поменять местами сигналы I и Q, то вращение вектора частоты на выходе квадратурного детектора супергетеродинного приемника меняется на прямо противоположное. Теперь переданное сообщение будет принято правильно.

Литература:

"Проектирование радиоприемных устройств" под ред. А.П. Сиверса М., "Высшая школа" 1976 стр. 37-110
"Радиоприемные устройства" под ред. Жуковского М. "Сов. радио" 1989 стр. 8 - 10
Принцип супергетеродинного приема
http://www.rfdesign.ru/components/index.htm
Цифровые приемники узкополосных сигналов на ПЛИС, http://www.chipinfo.ru/literature/chipnews/199908/25.html
Цифровой радиоприем
Brad Brannon "Basics of Designing a Digital Radio Receiver" Analog Devices, Inc., Greensboro,
Brad Brannon "Designing a Super-Heterodyne Multi-Channel Digital Receiver" Analog Devices, Inc., Greensboro,
Расчет приемника

[Пред. страница] [ Содержание ] [След. страница]

Заработай в Интернет!